Πυρηνική Δέσμευση Ενέργειας

Για να κατανοήσουμε την πυρηνική δεσμευτική ενέργεια, πρέπει πρώτα να καταλάβουμε τι είναι η δεσμευτική ενέργεια. Κάθε φορά που σε ένα σύστημα σωματιδίων, τα σωματίδια πρόκειται να διαχωριστούν το ένα από το άλλο, η ενέργεια που απαιτείται για τον διαχωρισμό είναι γνωστή ως Ενέργεια δέσμευσης.

Η ενέργεια δέσμευσης διακρίνεται συνήθως στα ακόλουθα επίπεδα:

1. Σε ατομικό επίπεδο- Απαιτείται ατομική ενέργεια για να διαχωριστεί ένα άτομο σε ηλεκτρόνιο και πυρήνα. Είναι κοινώς γνωστή ως ενέργεια ιονισμού.

2. Σε μοριακό επίπεδο- Σε μια χημική αντίδραση, όταν ένα μόριο διαχωρίζεται σε δεσμούς, η ενέργεια που απαιτείται είναι Μοριακή Ενέργεια Δέσμευσης.

3. Σε πυρηνικό επίπεδο- Η ενέργεια που απαιτείται για τον διαχωρισμό τμημάτων ενός πυρήνα (πρωτόνια και νετρόνια) είναι Ενέργεια Πυρηνικής Δέσμευσης.

Έννοια της πυρηνικής δεσμευτικής ενέργειας

Στους υποατομικούς πυρήνες ενός ατόμου, κάθε φορά που ένα νετρόνιο και το πρωτόνιο πρέπει να διαχωριστούν το ένα από το άλλο, η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τον διαχωρισμό τους είναι γνωστή ως Ενέργεια Πυρηνικής Δέσμευσης, ή πότε να πούμε, η πρωτόνια και νετρόνια συνδυάζονται σε έναν ενιαίο πυρήνα η ενέργεια που απελευθερώνεται μπορεί επίσης να ονομαστεί Ενέργεια Πυρηνικής Δέσμευσης.

Τώρα που η έννοια της πυρηνικής δεσμευτικής ενέργειας είναι ξεκάθαρη, βλέπουμε ότι η ενέργεια δέσμευσης ενός σταθερού πυρήνα είναι πάντα θετικός αριθμός, καθώς ο πυρήνας πρέπει να αποκτήσει ενέργεια για να απομακρυνθούν τα νουκλεόνια το ένα από το άλλο.

Μάζα πυρήνα και ενέργεια πυρηνικής δέσμευσης

Η συνολική μάζα ενός πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από τη χωριστή μάζα νετρονίων και πρωτονίων. Η διαφορά μεταξύ των δύο μπορεί να υπολογιστεί ως Πυρηνική Δέσμευση Ενέργειας και η μάζα που λείπει ονομάζεται "Ελαττώματα Μάζας". Η σχέση του Αϊνστάιν [E=m.c2] δηλώνει ότι η ενέργεια είναι ανάλογη με τη διαφορά μάζας, όπου το "E" σημαίνει ενέργεια πυρηνικής δέσμευσης, το "m" σημαίνει τη διαφορά στη μάζα και το "c" σημαίνει την ταχύτητα του φωτός, όπου Η ταχύτητα του φωτός είναι μια καθολική σταθερά.

Κατά τη διάρκεια του πυρηνικού διαχωρισμού ή της σχάσης, ένα μέρος της μάζας του πυρήνα μετατρέπεται σε ενέργεια. Η μάζα αφαιρείται από τη συνολική μάζα του σωματιδίου και λείπει στον πυρήνα. Αυτό ονομάζεται μαζικό ελάττωμα. Οι ενέργειες πυρηνικής δέσμευσης είναι τεράστιες και είναι τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές περισσότερες από τις ενέργειες δέσμευσης ηλεκτρονίων ενός ατόμου.

Παραδείγματα ενέργειας πυρηνικής δέσμευσης

Όταν μελετάμε παραδείγματα πυρηνικής δέσμευσης ενέργειας, παίρνουμε έναν πυρήνα υδρογόνου 2 που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο το καθένα. Ο πυρήνας του υδρογόνου 2 μπορεί να διαχωριστεί τροφοδοτώντας 2,23 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (MeV). Αντίθετα, κάθε φορά που ένα αργά κινούμενο πρωτόνιο και νετρόνιο συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν πυρήνα υδρογόνου 2, 2,23 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (MeV) απελευθερώνονται με τη μορφή ακτινοβολίας γάμμα.

Προσδιορισμός του ελαττώματος μάζας

Η διαφορά μεταξύ της μάζας του πυρήνα και της μάζας των νουκλεονίων ονομάζεται "Ελάττωμα μάζας".

Πρέπει να γνωρίζουμε τρία σημαντικά πράγματα για να υπολογίσουμε το μαζικό ελάττωμα:

·  Η τέλεια μάζα του πυρήνα,

·  Η σύνθεση του πυρήνα (δηλαδή ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων),

·  Μεμονωμένες μάζες πρωτονίων και νετρονίων,

Για τον υπολογισμό του ελαττώματος μάζας

• Προσθέστε μάζες κάθε πρωτονίου και νετρονίου που αποτελούν τον πυρήνα,

• Τώρα αφαιρέστε τη μάζα του πυρήνα από την παραπάνω υπολογισμένη μάζα κάθε πρωτονίου και νετρονίου

Παράδειγμα:Ας μάθουμε το ελάττωμα μάζας ενός πυρήνα χαλκού-63

αν η πραγματική μάζα ενός πυρήνα χαλκού-63 είναι 62,91367 amu.

·  Αρχικά, προσδιορίστε τη σύνθεση του πυρήνα του χαλκού-63 και, στη συνέχεια, βρείτε τη αθροιστική μάζα των συστατικών του, δηλαδή του πρωτονίου και του νετρονίου του.

Ο πυρήνας ενός ατόμου χαλκού έχει 29 πρωτόνια και ο χαλκός-63 έχει επίσης (63 – 29) 34 νετρόνια.

Η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1,00728 amu και ενός νετρονίου είναι 1,00867 amu.

Έτσι, η συνδυασμένη μάζα υπολογίζεται:

29 πρωτόνια (1,00728 amu/πρωτόνιο) + 34 νετρόνια (1,00867 amu/νετρόνιο)

ή

63.50590 amu

 Υπολογίστε το ελάττωμα μάζας-

Dm =63,50590 amu – 62,91367 amu =0,59223 amu

Πώς να υπολογίσετε την πυρηνική δεσμευτική ενέργεια;

Ο υπολογισμός της πυρηνικής δεσμευτικής ενέργειας περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

1. Προσδιορισμός του ελαττώματος μάζας

2. Μετατροπή ελαττώματος μάζας σε ενέργεια

3. Εκφράζοντας την πυρηνική ενέργεια δέσμευσης ως ενέργεια ανά mole ατόμων ή ως ενέργεια ανά νουκλεόνιο.

Επιπλέον, η Πυρηνική Δέσμευση Ενέργειας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την Ενεργειακή Εξίσωση του Αϊνστάιν, [E=m.c2] όπου το "E" σημαίνει πυρηνική δέσμευση ενέργειας, το "m" σημαίνει τη διαφορά στη μάζα και "c ” σημαίνει ταχύτητα φωτός, όπου η ταχύτητα του φωτός είναι καθολικά σταθερή.

Συμπέρασμα

Συνοπτικά, η ενέργεια που απαιτείται για τον διαχωρισμό των νετρονίων και των πρωτονίων σε έναν πυρήνα ή, αντιστρόφως, η ενέργεια που απελευθερώνεται από το συνδυασμό νετρονίων και πρωτονίων είναι γνωστή ως Ενέργεια Πυρηνικής Δέσμευσης. Πολλοί παράγοντες είναι απαραίτητοι για τον υπολογισμό της ακριβούς δεσμευτικής ενέργειας που απαιτείται για την πυρηνική σχάση ή σύντηξη. Η γνώση του ακριβούς ελαττώματος μάζας και της μάζας των νετρονίων και των πρωτονίων αποτελεί αναπόσπαστο μέρος του προσδιορισμού της πυρηνικής ενέργειας δέσμευσης.